某壓載掛車車架靜態(tài)特征與模態(tài)分析

陳鳴澗，楊振宇，李陸寬，王文迎，劉柏旭

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

壓載掛車車架為中央箱形截面梁式，用于運(yùn)輸起重機(jī)配重。目前，壓載掛車在歐洲得到了廣泛應(yīng)用，因其特殊的車架形態(tài)非常適合壓載運(yùn)輸，再加上日益繁忙的吊裝作業(yè)需求，以Mammoet、Sarens、Felbermayr為主的各著名吊裝公司爭先搶購各種型號的壓載掛車。歐洲主要壓載掛車生產(chǎn)商為德國的Goldhofer公司和荷蘭的Nooteboom公司，生產(chǎn)的壓載掛車軸數(shù)為5～8軸、額定載質(zhì)量為40～100 t。

大型起重機(jī)配重塊往往密度較大，單位面積對載貨臺的壓力也就偏大，國內(nèi)一般利用傳統(tǒng)鵝頸式半掛車來運(yùn)輸各種型號的配重塊，其車架為焊接框架結(jié)構(gòu)，由縱梁、主橫梁、貫穿梁、邊梁以及底板等組成，縱梁為工字鋼[1]。通過分析以往的關(guān)于鵝頸式半掛車車架靜力學(xué)研究案例可以得出，目前導(dǎo)致鵝頸半掛車車架開裂的主要工況因素是彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況[2]。車架的最大應(yīng)力基本出現(xiàn)在后懸架處和鵝頸部位，且當(dāng)車架處于滿載扭轉(zhuǎn)工況下時，應(yīng)力值最大，會造成車架的疲勞斷裂和變形[3]。

車架是半掛車的主要承載部件，它能否滿足半掛車在使用過程中的強(qiáng)度、剛度及振動要求，是衡量半掛車質(zhì)量的重要指標(biāo)[4]。本文針對常見實(shí)際工況對壓載掛車車架進(jìn)行靜態(tài)特征分析，通過研究滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載搓板路工況下車架應(yīng)力及變形情況，驗(yàn)證其運(yùn)輸起重機(jī)配重時的強(qiáng)度和剛度,并對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，辨識車架結(jié)構(gòu)動態(tài)性能，分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

1 車架有限元模型建立

本文研究的壓載掛車屬于特種運(yùn)輸半掛車，其車架為中央箱形截面梁式，載質(zhì)量為45 t。該壓載掛車車架主要由一根中央矩形截面主梁、若干三角加強(qiáng)筋和邊梁等結(jié)構(gòu)焊接而成，車架分為前部的非載貨區(qū)與中、后部的載貨區(qū)，載貨區(qū)可放置配重塊、液壓支腿等機(jī)械部件；非載貨區(qū)可安置壓載箱(通過增大牽引車驅(qū)動軸軸荷的方式來增大扭矩，便于坡路運(yùn)輸)。該壓載掛車車架非載貨區(qū)底盤通過牽引銷與牽引車的鞍座連接，整車設(shè)置為五軸載荷模式，車架的主要參數(shù)見表1。

表1 車架主要參數(shù)

壓載掛車車架材料采用16Mn低合金結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為216 000 MPa，泊松比為0.31，密度為7 870 kg/m3，屈服強(qiáng)度為450 MPa。

利用UG建立五軸壓載掛車車架的幾何模型，并將其導(dǎo)入HyperMesh中建立有限元模型，導(dǎo)入時去除載貨區(qū)邊緣的索孔以及車架中的倒角、圓角以及車架附屬結(jié)構(gòu)(例如防護(hù)架、工具箱、油箱座等)。本文選擇三維四面體單元對車架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將基本單元格大小設(shè)置為60 mm，并對連接點(diǎn)以及應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，一共劃分出104 198個有限元單元，最終的車架有限元模型如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

2 車架有限元靜力學(xué)分析

本文主要對壓載掛車車架進(jìn)行滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載搓板路3種工況下的有限元靜力學(xué)動強(qiáng)度分析，主要分析其正常直線行駛時的地形適應(yīng)性。

2.1 滿載彎曲工況

車架需要足夠的彎曲剛度來保證半掛車在各種復(fù)雜工況下的整車工作。彎曲工況指當(dāng)車輛全部的車輪與地面接觸并在路況良好的路面上以恒定的速度行駛時，車架對其壓載情況的狀態(tài)響應(yīng)。

約束處理：約束牽引銷局部X,Y軸方向的全部自由度以及Z軸方向的平動自由度；所有懸架與車架接觸處約束X,Y,Z軸方向的平動自由度。

載荷處理：在車架載貨區(qū)中部建立一個寬度為1 530 mm的平面承受垂直于載貨臺向下的45 t均布載荷，并使其貫穿整個載貨區(qū)。車架在外力作用下原為直線的軸線發(fā)生變形成為曲線，從而能夠模擬配重塊安放在載貨臺時重力作用于載貨臺面的工況，此時動載荷系數(shù)取2。

結(jié)果分析：通過有限元分析，分別得到圖2、圖3所示車架彎曲工況下的形變量云圖和應(yīng)力分布云圖。由圖2可知，車架最大變形量為1.694 mm，位于車架中后部的兩側(cè)邊梁處，對于主要壓載部位影響較小。由圖3可知，第一車橋下方懸架的連接處出現(xiàn)了輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為52.50 MPa，車架大部分應(yīng)力值小于30 MPa且分布均勻，沒有發(fā)生應(yīng)力值突變現(xiàn)象，故車架滿足強(qiáng)度要求，有較高的抗彎剛度。

圖2 滿載彎曲工況形變量云圖

圖3 滿載彎曲工況應(yīng)力云圖

2.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況是半掛車最危險的工況之一，當(dāng)車輛在凹凸不平的道路上行駛時，若干車輪抬起或落下，其對側(cè)車輪仍與地面接觸，從而使得左右車輪形成相對高度差，即車輛受到非對稱載荷作用，產(chǎn)生靜態(tài)扭轉(zhuǎn)矩，從而使車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。

約束處理：約束牽引銷局部X,Y軸方向的全部自由度以及Z軸方向的平動自由度；1,3,5車橋左懸架與車架接觸處約束X,Y,Z軸方向的平動自由度；2,4車橋右懸架與車架接觸處約束X,Y,Z軸方向的平動自由度。

載荷處理：載荷處理方式與彎曲工況完全相同。

結(jié)果分析：圖4和圖5分別是車架處于扭轉(zhuǎn)工況下的形變量云圖和應(yīng)力分布云圖。由圖4可知，車架最大變形為2.03 mm，發(fā)生在車架左前方的邊梁以及左后方邊梁處。由圖5可知，第一車橋右側(cè)吊耳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為92.04 MPa。本壓載掛車車架所用材料的屈服強(qiáng)度為450 MPa，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，選取安全系數(shù)為2.5[5]，而扭轉(zhuǎn)工況下的安全系數(shù)為材料的屈服強(qiáng)度除以最大應(yīng)力，即450/92.04=4.89，滿足工況需求，說明車架處于扭轉(zhuǎn)工況時結(jié)構(gòu)安全。從車架整體應(yīng)力分布來看，整體應(yīng)力水平較低，且由于懸架的減震作用，該處的實(shí)際應(yīng)力是小于最大應(yīng)力的，但盡管如此，也應(yīng)盡量避免使車架長期在該工況下運(yùn)行，從而延長車架使用壽命。

圖4 滿載扭轉(zhuǎn)工況形變量云圖

圖5 滿載扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

2.3 滿載搓板路工況

當(dāng)半掛車行駛于道路狀況惡劣的山區(qū)路段時，常常會處于所謂搓板路工況，此種工況模擬的是車架在崎嶇路面上行駛時左右兩側(cè)車輪同時抬起或落下的狀態(tài)。

約束處理：約束牽引銷局部X,Y軸方向的全部自由度以及Z軸方向的平動自由度；約束1,3,5車橋左右懸架與車架接觸處的X,Y,Z軸方向的平動自由度。

載荷處理：載荷處理方式與彎曲工況完全相同。

結(jié)果分析：圖6和圖7分別是車架在搓板路工況下的形變量云圖和應(yīng)力分布云圖。由圖6可知，車架最大變形為1.95 mm，發(fā)生在車架中后部兩側(cè)邊梁處。由圖7可知，第三車橋兩側(cè)吊耳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為60.67 MPa，此現(xiàn)象是由于2，4車橋懸架自由度釋放后車架載貨臺下降，使得第三車橋懸架承受了車體大部分重力造成的。通過對比車架處于搓板路工況、扭轉(zhuǎn)工況、彎曲工況的形變及應(yīng)力分布情況可以看出，搓板路工況分析結(jié)果綜合了彎曲、扭轉(zhuǎn)工況，其條件相比扭轉(zhuǎn)工況更為極端，更符合國內(nèi)實(shí)際工況條件，所以車架有限元分析時應(yīng)當(dāng)獨(dú)立分析搓板路工況，而不應(yīng)將其歸結(jié)到扭轉(zhuǎn)工況中去，搓板路工況對于半掛車車架在國內(nèi)工況下的適應(yīng)性研究分析有著極其重要的意義[6]。

圖6 滿載搓板路工況形變量云圖

圖7 滿載搓板路工況應(yīng)力云圖

2.4 車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施及驗(yàn)算

由工況分析可知，壓載掛車車架處于滿載扭轉(zhuǎn)工況時，其釋放了自由度的前懸架的對側(cè)懸架吊耳處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為92.04 MPa。針對此現(xiàn)象，本文采取的改進(jìn)措施為在產(chǎn)生應(yīng)力集中的一側(cè)懸架吊耳處增加如圖8所示的三角加強(qiáng)筋，對實(shí)體模型進(jìn)行修改和分析，并對扭轉(zhuǎn)工況重新計(jì)算后，得到該懸架吊耳處的最大應(yīng)力為63.50 MPa。而三角加強(qiáng)筋作為附件，其承受的最大應(yīng)力為127 MPa，有效消除了懸架部位的應(yīng)力集中，減小了最大應(yīng)力值，改進(jìn)后懸架吊耳處的應(yīng)力分布如圖9所示。

圖8 三角加強(qiáng)筋

圖9 改進(jìn)后懸架吊耳處的應(yīng)力分布

3 車架模態(tài)分析

模態(tài)分析是對機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型的研究，是研究結(jié)構(gòu)動力特征的一種方法，一般應(yīng)用在工程振動領(lǐng)域。通過對壓載掛車車架進(jìn)行模態(tài)分析，預(yù)測車架結(jié)構(gòu)在某頻段內(nèi)，在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動響應(yīng)，從而通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以避開共振頻率[4]。通過計(jì)算分析可得車架前6階模態(tài)頻率為趨近于0，可近似看作剛體模態(tài)，對模態(tài)分析意義不大。剛體模態(tài)前10階模態(tài)的固有頻率和振型如表2、圖10～圖14所示。

圖14 第15,16階振型

表2 車架前16階模態(tài)的固有頻率和振型

圖10 第7,8階振型

圖11 第9,10階振型

圖12 第11,12階振型

圖13 第13,14階振型

通過研究模態(tài)分析結(jié)果可以看出，車架的振動頻率很低,振幅很小，振型主要是垂直彎曲和復(fù)合振動。車架的 7～16 階頻率分布在 6.63～38.42 Hz，且頻率過渡相對穩(wěn)定，無突變情況。車輛行駛時，激勵源主要來自于路面和發(fā)動機(jī)，一般較好路面的激勵頻率為20 Hz以下的垂直彎曲，此振動對車架的影響最為嚴(yán)重。由模態(tài)分析結(jié)果可知，模態(tài)頻率在20 Hz以下的振型無垂直彎曲，且模態(tài)頻率在 20 Hz 以內(nèi)的僅有 7，8，9 階模態(tài)，其模態(tài)頻率分別為 6.63，11.65，15.86 Hz, 這3階模態(tài)的振幅都很小，因而對車架影響較小。車架部分的固有頻率為10～15 Hz，由表2可知，車架的1階彎曲和1階扭轉(zhuǎn)頻率均不在此范圍內(nèi)。

依據(jù)上述分析可知，該壓載掛車車架正常行駛時可有效避免共振現(xiàn)象，不會引起較大振幅，說明該壓載掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)束語

本文研究表明，五軸壓載掛車相比于國內(nèi)傳統(tǒng)鵝頸式半掛車，在壓載運(yùn)輸方面有明顯優(yōu)勢。通過與傳統(tǒng)雙邊梁式半掛車車架的有限元分析結(jié)果的對比可知，壓載掛車車架在承受極端載荷情況下變形程度大大降低，且應(yīng)力分布較為均勻，此現(xiàn)象表明中央梁式車架結(jié)構(gòu)在重型運(yùn)輸狀態(tài)下具有較長的使用壽命。此外還通過模態(tài)分析驗(yàn)證了壓載掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并確定了車架振幅較大的位置，有利于對車架結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化。本文的研究結(jié)果對今后國內(nèi)重型運(yùn)輸特種半掛車的研究和發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。